Во время учебы в институте при изучении основ электроники все компоненты схемы рассматриваются как идеальные элементы : идеальные резисторы без последовательной индуктивности, идеальные конденсаторы без последовательного сопротивления, идеальные операционные усилители с бесконечным усилением и нулевым смещением.
С источниками питания дело обстояло точно так же: постоянное напряжение с нулевым выходным сопротивлением, неограниченный выходной ток и бесконечный коэффициент стабилизации. С такими характеристиками идеального ИП ничего не стоит разработать любую учебную электронную систему.
Приступив к реальной работе в качестве инженера-разработчика, на практике, приходится столкнуться с реальными факторами, нарушающими идеальности в работе элементов, такими как : температурный коэффициент сопротивления для резисторов, тангенс угла диэлектрических потерь для конденсаторов и фазовые сдвиги в усилителях.
Источники питания тоже не избежали влияния всемогущих природных сил, направленных на разрушение идеальных представлений об электронике. Ненулевое выходное сопротивление, ограничение величины выходного тока и конечный коэффициент стабилизации – все как будто сговорились, чтобы затруднить нам жизнь.
Влияние этих и других негативных факторов на характеристики источников питания как раз и обсуждается в данной статье.
Идеальный источник напряжения
Идеальный источник напряжения сохраняет выходное напряжение постоянным независимо от нагрузки. Например, если источник выдаёт постоянное напряжение +5 В, оно будет в точности равно 5,0 В и при отсутствии тока, и при токе 1 А, и 10 А, и 500 А и т.п. Кроме того, при изменении тока нагрузки, например, с 5 А до 10 А, выходное напряжение будет оставаться на уровне 5,0 В, без каких-либо провалов (см. рис. 1а).
Реальный источник напряжения
К сожалению, в реальной жизни идеальных источников питания не существует. Реальный источник питания пытается поддерживать на выходе постоянное напряжение, используя цепь обратной связи для контроля выходного напряжения. Он сравнивает это напряжение с эталоном и непрерывно осуществляет регулировку в зависимости от полученной разницы.
Кроме того, поскольку реальные источники питания должны помещаться в ограниченном пространстве, они имеют ограниченную входную мощность и ограниченную возможность рассеяния неизбежно выделяющегося тепла. В результате реальные источники питания имеют ограничения по выходному току, конечное выходное сопротивление и конечный коэффициент стабилизации.
Влияние этих факторов становится заметным при потреблении тока от источника – будь то статический ток или динамический. Например, напряжение 5,0 В на выходе источника с выходным сопротивлением 10 мОм упадет до 4,9 В при подключении статической нагрузки 10 А. С ростом величины тока выходное напряжение продолжит падать (см. рис. 1б).
С динамическими нагрузками неидеальная природа реальных источников питания становится ещё заметней. Взгляните на поведение выходного напряжения вслед за изменением нагрузки, показанное на рис. 1б. Выбросы и провалы напряжения реального источника связаны с его ненулевым выходным сопротивлением, которое зависит от частоты (Zo(f)), и зависимость эта определяется цепью внутренней обратной связи, используемой для стабилизации выходного напряжения.
